Confronto tra i due metodi di misura

L’obbiettivo finale di questo lavoro di tesi consiste nel comprendere le cause per cui la sonda CMR-Tool realizzata da Schlumberger non sia in grado di identificare la stratificazione sabbia/argilla presente nell’intero bacino sedimentario dell’adriatico. In tale sito, in cui sono presenti delle ingenti riserve di gas naturale, si sono eseguiti nel corso degli anni numerosi sondaggi, sia tramite il recupero di carote, sia dall’esecuzione di notevoli registrazioni in pozzo tramite numerosi tipi di Log. Le informazioni ricavate da tutte le varie metodologie di indagine, hanno messo in evidenza una forte stratificazione costituita da sabbia ed argilla che caratterizza l’intero giacimento dell’adriatico. D’altra parte, le registrazioni effettuate tramite sonde NMR non sono state in grado di evidenziare tale stratificazione, la quale si dovrebbe tradurre in una distribuzione bimodale dei tempi di rilassamento. Quello che si è ottenuto, invece, è una distribuzione unimodale caratterizzata da tempi di rilassamento relativamente brevi. Tale problema non ha permesso perciò di utilizzare le misure NMR e di ricavare alcuni parametri fondamentali per la caratterizzazione del giacimento.

A fronte di tale problema si è pensato di mettere a confronto i risultati ottenuti tramite il rilassometro Stelar presente presso i laboratori LAGIRN dell’università di Bologna e la sonda CMR-Tool presso la base Schlumberger di Pescara, in modo tale da evidenziare eventuali anomalie della sonda utilizzata da Schlumberger.

A tal fine è stato necessario elaborare i dati ottenuti dai due diversi apparati di misura tramite il medesimo software di elaborazione in maniera tale da eliminare le eventuali differenze derivanti dal diverso algoritmo utilizzato. Per questo motivo si è scelto di elaborare anche i dati ricavati dalla sonda CMR-Tool attraverso il software di inversione UPEN, di cui si è data una breve descrizione nei paragrafi precedenti, §5.1.3.

Si sono perciò messi a confronto i risultati derivanti dai due apparati di misura dei diversi campioni stratificati realizzati in laboratorio. In figura 5.34 e 5.35, si sono messe a paragone le distribuzioni dei tempi di rilassamento dei campioni SA2 e SA4 con il campione CMR, realizzato per Schlumberger. Da tali figure si può notare come le distribuzioni derivanti dal campione CMR siano sempre comprese nell’intervallo di tempi di rilassamento che caratterizza le distribuzioni dei campioni misurate con il rilassometro Stelar.

140 T₂ (ms) 1 10 100 1000 Percentuale di se gnale (%) 0 20 40 60 80 100 120 Legend CMR- Tool Stelar

Fig. 5.34, Distribuzione dei tempi di rilassamento trasversali dei campioni stratificati SA2 e CMR, ricavati tramite la sequenza CPMG con un TE pari a 0.3 ms.

T₂ (ms) 1 10 100 1000 Percentuale di se gnale (%) 0 20 40 60 80 100 120 Legend CMR-Tool Stelar

Fig. 5.35 Distribuzione dei tempi di rilassamento trasversali dei campioni stratificati SA4 e CMR, ricavati tramite la sequenza CPMG con un TE pari a 0.3 ms.

Tale fenomeno è messo in evidenza anche dal confronto tra le medie geometriche dei T2 rappresentati in tabella 5.8, in cui si nota come le argille misurate attraverso la sonda CMR-Tool siano caratterizzate da tempi di

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rilassamento più lunghi rispetto a quelli derivanti dai campioni misurati nel laboratorio LAGIRN, mentre le sabbie denotano tempi relativamente più corti.

Tabella 5.8, Tempi di rilassamento trasversali dei campioni SA2, SA4 ed CMR con edly 0.3 ms.

D’altra parte, l’intervallo di distribuzione di ciascuna famiglia, rappresentante i due diversi materiali, risulta più grande per i campioni misurati tramite il rilassometro Stelar. Difatti, le argille denotano un intervallo di variabilità dei T2 maggiore per il campione SA2 rispetto al campione CMR. La distribuzione rappresentante le argille per il campione misurato presso i laboratori LAGIRN è compresa tra i 0,3 e 20 ms, mentre quella derivante dalle misure effettuate tramite la sonda CMR-Tool è caratterizzata invece da una distribuzione più stretta compresa tra i 0,7 e 20 ms. Tale aspetto si può notare anche per le sabbie dove per il campione SA2 la distribuzione è compresa tra i 40 ed i 800 ms mentre per il campione CMR tale distribuzione è racchiusa tra i 40 ed i 500 ms. Pertanto, le misure derivanti dalla sonda CMR-Tool sono contraddistinte da degli intervalli di variabilità più ristretti per ciascuna famiglia che caratterizza la distribuzione.

Tale comportamento non si riscontra invece nelle misure aventi un tempo di eco maggiore pari a 1 ms, figura 5.36 e 5.37. Infatti, in questo caso le misure effettuate presso i laboratori Schlumberger denotano delle distribuzioni, soprattutto nel caso delle argille, caratterizzate da un intervallo di tempi di rilassamento relativamente maggiore. Tale aspetto è dovuto probabilmente alla presenza di forti effetti di diffusione, che nel caso della sonda CMR-Tool sono enfatizzati dalla presenza di un gradiente di campo magnetico indotto.

In fine, mettendo a confronto l’insieme dei campioni stratificati, figura 5.38, misurati con i due diversi apparati di misura, si nota come il campione misurato tramite la sonda NMR sia caratterizzato da tempi di rilassamento sistematicamente compresi all’interno delle distribuzioni dei campioni misurati dal rilassometro Stelar.

Campione Sequenza TE [ms] T2 geom. Argille[ms] T2 geom. Sabbie[ms]

SA2 CPMG 0,3 8 324

SA4 CPMG 0,3 7 199

142 T₂ (ms) 1 10 100 1000 Per cen tua le d i se gnal e (% ) 0 10 20 30 40 50 60 Legend CMR-Tool Stelar

Fig. 5.36, Distribuzione dei tempi di rilassamento trasversali dei campioni stratificati SA2 e CMR, ricavati tramite la sequenza CPMG con un TE pari a 1 ms.

T₂ (ms) 1 10 100 1000 Percentuale di segnale (%) 0 10 20 30 40 50 60 Legend CMR-Tool Stelar

Fig. 5.37, Distribuzione dei tempi di rilassamento trasversali dei campioni stratificati SA4 e CMR, ricavati tramite la sequenza CPMG con un TE pari a 1 ms.

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Pertanto, visto che i diversi campioni sono stati realizzati utilizzando gli stessi materiali e le stesse procedure esecutive, è da escludere che le differenze riscontrate nelle distribuzioni derivanti dai due diversi apparati di misura, siano attribuibili alle particolarità che caratterizzano l’argilla o la sabbia. Di fatto, risulta molto più probabile che il diverso comportamento dell’acqua contenuta nei pori dei due materiali, nei riguardi delle misure rilassometriche, sia dovuto alle diverse modalità operative dei due diversi apparati.

T₂ (ms) 1 10 100 1000 Perc entua le di s egna le (% ) 0 20 40 60 80 100 120 Legend CMR-Tool Stelar - SA2 Stelar - SA4

Fig. 5.38, Distribuzioni dei tempi di rilassamento dei campioni SA2, SA4 e CMR misurati attraverso la sequenza CPMG con TE pari a 0,3 ms.

Pertanto, le cause dell’incapacità riscontrate dalla sonda CMR-Tool nell’evidenziare la stratificazione in situ devono essere ricercate nelle caratteristiche intrinseche dei materiali costituenti la formazione analizzata e dalle particolari condizioni di saturazione esistenti in giacimento.

Difatti, tale bacino sedimentario è composto da argilla di tipo smectitico, molto più propensa a trattenere l’acqua all’interno della propria struttura costitutiva rispetto a quella illitica-caolinica utilizzata per la realizzazione dei provini, perciò caratterizzata probabilmente da un intervallo di T2 esteso verso tempi più brevi.

Un altro aspetto da considerare è la granulometria dei grani costituenti la sabbia presente in situ. Infatti, come si è visto nel paragrafo §5.2.1, al diminuire

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della dimensione dei grani si ottengono dei tempi di rilassamento relativamente più brevi, a causa della diminuzione delle dimensioni dei vuoti.

L’ultimo aspetto da considerare sono le condizioni di temperatura e saturazione presenti in giacimento, ed in particolare la tipologia dei fluidi presenti all’interno della formazione. È noto che in tali giacimenti sono presenti prevalentemente acqua e gas in diversi gradi di saturazione. Quest’ultimo aspetto potrebbe influire sulle distribuzioni dei tempi di rilassamento derivanti dalle misure NMR eseguite dalla sonda. Infatti, la presenza di gas in saturazione potrebbe incidere sul comportamento dell’acqua contenuta nei pori, confinandola nei pori più piccoli e influenzando perciò le misure NMR.

L’insieme di tali aspetti potrebbe influire, nel loro complesso, sulle registrazioni effettuate dal CMR-Tool log e ripercuotersi in maniera decisa sui risultati delle misurazioni effettuate. Non è inoltre da trascurare l’eventuale presenza di materiale paramagnetico, che a contatto con la sabbia avrebbe l’effetto di abbattere drasticamente il decadimento dei nuclei di idrogeno presenti all’interno dei pori della sabbia stessa. Un ulteriore considerazione deve essere fatta sulle condizioni di consolidazione che caratterizzano sia le argille che le sabbie. Si è visto nel paragrafo §5.2.2, come il consolidamento porti ad una ridistribuzione delle dimensioni dei pori, ed in particolare ad una diminuzione del volume dei vuoti, che si traduce in tempi di rilassamento più brevi. Se si considerano le notevoli profondità in cui si trovano gli strati di sabbia e di argilla analizzati dalla sonda, si può comprendere come il consolidamento possa avere un peso determinante nella configurazione dell’architettura porosa e perciò nella distribuzione dei tempi di rilassamento.

Dalle considerazioni suddette, risulterebbero tempi di rilassamento rappresentati da una distribuzione unimodale anche se la formazione analizzata è caratterizzata da una evidente stratificazione sistematica. Difatti, le distribuzioni rappresentanti le argille e le sabbie tenderebbero ad avvicinarsi l’una rispetto all’altra, facendo scomparire la classica bimodalità che caratterizza una formazione stratificata, producendo un comportamento più simile a quello messo in evidenza dai campioni mischiati realizzati in laboratorio(Mix6, Mix7 e Mix 8). Inoltre, tali aspetti potrebbero essere ancor più determinanti dalla ridotta distanza temporale nelle distribuzioni che separa le due diverse famiglie di sabbia ed argilla riscontrata nelle misure sperimentali eseguite tramite la sonda CMR-Tool.

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Pertanto, per capire a pieno le ragioni di tale problema, risulta assolutamente necessario disporre di un campione stratificato prelevato direttamente dalla formazione di interesse. Infatti, solo attraverso l’analisi di un testimone rappresentativo del giacimento si riuscirebbero a comprendere le cause della mancata bimodalità delle distribuzioni dei tempi di rilassamento. Precisamente, avendo a disposizione una carota rappresentativa della formazione si potrebbero nuovamente effettuare le misure di rilassometria attraverso i due differenti apparati di misura, ed eventualmente mettere in evidenza le differenze che si potrebbero riscontrare nei risultati.

Per adesso si sono messi a confronto i risultati ottenuti attraverso due strumenti di misura concettualmente diversi, il rilassometro Stelar utilizzato per le prove sperimentali in laboratorio e la sonda CMR-Tool usualmente adibita per le registrazioni in pozzo. Attraverso tale confronto, si sono potute mettere in evidenza le diverse modalità di misura dei due apparati, dalle quali si sono messe in luce le possibili cause dell’ incapacità della sonda NMR di riscontrare la stratificazione sabbia/argilla che caratterizza la maggior parte dei giacimenti adriatici. Si sono quindi poste le basi per le successive interpretazioni ed analisi che dovrebbero prevedere lo studio di un campione rappresentativo della formazione, in modo tale da far emergere le particolarità specifiche dei materiali che sono presenti in quello specifico bacino.

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Conclusioni

La crescente domanda mondiale di energia di combustibili fossili, quali petrolio, carbone e gas, pone in primissimo piano lo sviluppo di tecnologie sempre più efficienti ed innovative per l’esplorazione, la ricerca e la produzione di tali fonti di energia. Nello scenario geopolitico ed economico attuale, è perciò di primaria importanza riuscire a rendere disponibili tali risorse naturali, in maniera sostenibile ed economicamente vantaggiosa. Per far fronte a tali sfide la raccolta e l’analisi di dati petrofisici è di fondamentale importanza sia in sede di perforazione che durante la produzione.

In questo lavoro di tesi sono stati presi in considerazione i carotaggi geofisici, detti anche log, in particolare si sono valutate le potenzialità di indagine dei log NMR (Nuclear Magnetic Resonance). Tali tipi di sonde, che sfruttano il fenomeno della risonanza magnetica nucleare, sono capaci di ricavare molteplici informazioni della formazione analizzata. In particolare è in grado di caratterizzare un qualsiasi mezzo poroso saturo di fluidi contenenti atomi di idrogeno, ricavando i parametri NMR, ossia i tempi di rilassamento e, sfruttando le numerose correlazioni esistenti, le proprietà petrofisiche delle rocce.

In questo lavoro si è valutata la risposta NMR su campioni stratificati sabbia/argilla mediante l’uso di due differenti apparati di misura, il rilassometro Stelar presente nei laboratori LAGIRN del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e dei Materiali dell’Università di Bologna, e la sonda CMR-Tool realizzata da Schlumberger e presente nei loro laboratori di Pescara. Mediante questi due strumenti si sono ottenuti dei risultati consistenti che ben rappresentano il comportamento delle formazioni stratificate presenti in situ, riscontrando delle discrepanze non significative tra i diversi apparati di misura utilizzati.

L’obiettivo è quello di comprendere le cause per cui la sonda CMR-Tool non sia in grado di caratterizzare correttamente la stratificazione sabbia/argilla presente nell’intero bacino sedimentario dell’Adriatico. Difatti le registrazioni effettuate tramite la sonda CMR-Tool non sono state in grado di evidenziare tale stratificazione, la quale si dovrebbe tradurre in una distribuzione dei tempi di rilassamento di tipo bimodale. Quello che è stato ottenuto, invece, è una distribuzione unimodale caratterizzata da tempi di rilassamento relativamente

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brevi. Tale problema non ha permesso perciò di ottenere dei risultati attendibili dalle misure NMR e perciò di ricavare alcuni parametri fondamentali per la caratterizzazione del giacimento.

A fronte di tale obiettivo sono stati realizzati campioni stratificati contenenti sabbia ed argilla ed una serie di campioni con un mix in diverse proporzioni di sabbia/argilla. Si sono quindi eseguite diverse misure mediante i due differenti apparati, e successive comparazioni dei risultati ottenuti.

Si sono infatti realizzati cinque campioni di sabbia a diversa granulometria (S1,S2, S3, S4 e S5), tre campioni stratificati a due, quattro ed otto strati (SA2, SA4, CMR), e tre provini non stratificati contenenti sabbia ed argilla in diversi rapporti in peso 50%, 25% e 10% di argilla, rispettivamente denominati, Mix6, Mix7 e Mix8.

Le misurazioni sono state eseguite utilizzando diverse sequenze NMR: la sequenza IR/S e LAPSR/S utilizzate per ricavare i tempi di rilassamento

longitudinali, T1 e la sequenza CPMG, con diversi valori di tempo di eco, da cui si

sono ricavati i tempi di rilassamento trasversale, T2.

Dai risultati dei campioni di sabbia a diversa granulometria, emerge che i tempi di rilassamento sono funzione del diametro dei grani ed in particolare che al diminuire della classe granulometrica si ha una diminuzione dei tempi di rilassamento

I campioni stratificati, misurati presso il laboratorio LAGIRN, hanno mostrato una attesa distribuzione bimodale. Si è notato inoltre che i risultati sono indipendenti dalla configurazione delle stratificazioni.

I tempi di rilassamento ottenuti sono inoltre confrontabili con quelli tipici presenti in letteratura per la sabbia e l’argilla, come anche confermato dalle distribuzioni ottenute dalle misure effettuate sui singoli materiali. Le differenze riguardano esclusivamente la quantità di segnale misurato, e non i tempi di rilassamento, ciò dovuto principalmente al diverso quantitativo di acqua contenuto nei diversi campioni.

Sono state effettuate anche misure NMR su un campione consolidato, compresso a 3,3 bar, per simulare le condizioni in situ. I risultati ottenuti hanno messo in evidenza gli effetti che la consolidazione ha avuto sui tempi di rilassamento. È stato notato che il consolidamento ha avuto due effetti evidenti sui risultati delle misure di rilassometria.

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Il primo è dato dalla diminuzione del segnale misurato, effetto che è conseguenza della perdita di acqua contenuta nei pori causata dal consolidamento subito dal campione.

Il secondo effetto consiste in una traslazione delle distribuzioni verso tempi più brevi. Tale effetto è marcato soprattutto nell’argilla in cui si ha una

netta diminuzione dei T2 di circa il 25% rispetto al valore non consolidato. Per la

sabbia, invece, la diminuzione è relativamente meno marcata, all’incirca del 11%. La causa di tale differente comportamento apparentemente differente nei due materiali, è dovuta allo specifico diverso comportamento che sabbia e argilla hanno quando sono sottoposti ad un carico di consolidamento.

Le prove sperimentali eseguite presso il laboratorio LAGIRN si sono concluse con le misure effettuate sui provini non stratificati i quali presentano delle caratteristiche di rilassamento intermedie rispetto ai provini stratificati. Difatti, l’assenza di una stratificazione ha l’effetto di non ottenere un distribuzione di tipo bimodale producendo invece una distribuzione unimodale centrata su valori intermedi tra le due distribuzioni relative alle due popolazioni, con un evidente spostamento verso tempi vicini a quelli caratteristici delle argille. Tale comportamento è dovuto al sistema poroso che si viene a creare nel campione non stratificato quando sabbia e argilla vengono mescolate assieme.

L’aspetto più interessante però è che all’aumentare della quantità di argilla contenuta nel campione si ottengano delle distribuzioni spostate verso tempi di rilassamento più brevi.

Le misure eseguite presso i laboratori Schlumberger di Pescara e realizzate mediante la sonda CMR-Tool, riproducono anch’esse l’attesa distribuzione bimodale che caratterizza le formazioni stratificate. Inoltre anche in questo caso i tempi di rilassamento ricavati sono in accordo con quelli tipici che si riscontrano in letteratura relativamente alle singole fasi.

Dal confronto si è notato come le distribuzioni derivanti dal campione CMR siano sempre comprese nell’intervallo di tempi di rilassamento che caratterizza le distribuzioni dei campioni misurate con il rilassometro Stelar, cioè per le argille la distribuzioni della sonda CMR-Tool sono caratterizzate da tempi di rilassamento più lunghi rispetto a quelle ottenute con la console Stelar, mentre le sabbie denotano tempi relativamente più corti

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Dai risultati ricavati, considerando che i diversi campioni sono stati realizzati utilizzando gli stessi materiali e le stesse modalità di preparazione, è da escludere che la causa del non corretto funzionamento in sito del CMR-Tool Log sia attribuibile alle caratteristiche costruttive della sonda stessa o alle sue specifiche modalità di misura.

Pertanto, le cause dell’incapacità riscontrate dalla sonda CMR-Tool nell’evidenziare la stratificazione in situ devono essere ricercate nelle caratteristiche intrinseche dei materiali costituenti la formazione analizzata e dalle particolari condizioni di saturazione e temperatura esistenti in giacimento.

Difatti, tale bacino sedimentario è composto da argilla di tipo smectitico, che ha una notevole tendenza a trattenere l’acqua all’interno della propria struttura costitutiva rispetto a quella illitica-caolinica utilizzata per la realizzazione dei provini, perciò caratterizzata probabilmente da un intervallo di T2 esteso verso tempi più brevi.

Un altro aspetto da considerare è la granulometria del la sabbia presente in situ. Infatti, al diminuire della dimensione dei grani si ottengono dei tempi di rilassamento relativamente più brevi, a causa della diminuzione delle dimensioni dei vuoti.

L’ultimo aspetto da considerare sono le condizioni di temperatura e saturazione presenti in giacimento, ed in particolare la tipologia dei fluidi presenti all’interno della formazione. È noto che in tali giacimenti sono presenti prevalentemente acqua e gas in diversi gradi di saturazione. Quest’ultimo aspetto potrebbe influire sulle distribuzioni dei tempi di rilassamento derivanti dalle misure NMR eseguite dalla sonda. Infatti, la presenza di gas in saturazione potrebbe incidere sul comportamento dell’acqua contenuta nei pori, confinandola nei pori più piccoli e influenzando perciò le misure NMR.

L’insieme di tali aspetti potrebbe influire, nel loro complesso, sulle registrazioni effettuate dal CMR-Tool log e ripercuotersi in maniera decisa sulle curve di distribuzione corrispondenti. Non è inoltre da trascurare l’eventuale presenza di materiale paramagnetico, che a contatto con la sabbia avrebbe l’effetto di abbattere drasticamente il decadimento dei nuclei di idrogeno presenti all’interno dei pori della sabbia stessa, facendo così sovrapporre il picco della sabbia con quello dell’argilla. Un ulteriore considerazione deve essere fatta sulle condizioni di consolidazione che caratterizzano sia le argille che le sabbie e

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simulato in laboratorio. Se si considerano le notevoli profondità in cui si trovano gli strati di sabbia e di argilla analizzati dalla sonda, si può comprendere come il consolidamento possa avere un peso determinante nella configurazione dell’architettura porosa e perciò nella distribuzione dei tempi di rilassamento.

Dalle considerazioni suddette, potrebbero risultare tempi di rilassamento rappresentati da una distribuzione unimodale anche se la formazione analizzata è stratificata. Difatti, le distribuzioni rappresentanti le argille e le sabbie tenderebbero ad avvicinarsi l’una rispetto all’altra, facendo scomparire la classica bimodalità che caratterizza una formazione stratificata, producendo un comportamento più simile a quello messo in evidenza dai campioni mischiati realizzati in laboratorio(Mix6, Mix7 e Mix 8).

Pertanto, per capire a pieno le ragioni di tale problema, risulta fondamentale disporre di un campione stratificato prelevato direttamente dalla formazione di interesse. Infatti, solo attraverso l’analisi di un testimone